Hva er et mikrokalorimeter?
Et mikrokalorimeter er en følsom termisk enhet som brukes til å måle energien til enkeltpartikler eller fotoner, elementære lyspartikler. Det er en type kalorimeter - et instrument som måler varmen som frigjøres ved fysiske eller kjemiske reaksjoner i en prøve. Mikrokalorometre brukes i astrofysikk for å måle energien til røntgenfotoner fra verdensrommet. En relatert enhet, isotermisk mikrokalorimeter, brukes i biokjemi og relaterte felt for å oppdage ørsmå energiforandringer ved lave temperaturer.
Loven om bevaring av energi, en grunnleggende fysikklov, sier at energi ikke kan skapes eller ødelegges - den kan bare konverteres til andre former. Mikrokalometre fungerer ut fra dette prinsippet. Energi fra en fysisk interaksjon eller kjemisk reaksjon transformeres til varme inne i systemet, og ved å måle endringen i varmen som resulterer, kan energi fra samspillet trekkes ut.
Den typen mikrokalorimeter som brukes i astrofysikk, består av tre hovedkomponenter: en absorber, en kjøleribbe og en termistor. Når et røntgenfoton treffer absorberen, overføres energi til et elektron i et atom i absorberingsmaterialet. Denne energien får elektronet til å bli opphisset - det hopper lenger fra atomkjernen og bryter fri for bane. Andre elektroner i absorpsjonen kan bli i mindre grad begeistret av dette løse elektronet og stige til baner med høyere energi rundt sine respektive atomer.
De begeistrede elektronene frigjør energi når de kommer tilbake til grunntilstanden, eller den laveste energitilstanden - en stabil bane rundt atomene. Energien som frigjøres i denne prosessen, blir bevart og konvertert til varme, noe som får temperaturen i absorbenten til å stige med en liten mengde. En termometeranordning i absorberen kjent som en termistor oppdager denne temperaturendringen. Varmen strømmer deretter inn i kjøleribben, og får absorberen tilbake til sin opprinnelige temperatur. Ved å måle temperaturendringen forårsaket av påvirkningen fra røntgenbildet, kan røntgenstrålens originale energi beregnes.
Det isotermiske mikrokalorimeteret fungerer på samme måte, selv om det brukes til å måle kjemiske interaksjoner i stedet for fotonenergi. Denne enheten består av en kjøleribbe og et lukket reaksjonskar hvor den kjemiske reaksjonen finner sted. Kjøleribben sørger for at reaksjonsbeholderen holdes på en konstant temperatur, noe som muliggjør nøyaktige målinger. Når den kjemiske reaksjonen skjer, frigjøres en viss mengde energi enten som varme eller absorberes, noe som forårsaker en temperaturendring som er registrert av mikrokalorimeteret. Isotermiske mikrokalorimetre har anvendelser innen fysisk kjemi, biokjemi og farmasøytisk industri fordi de gir en svært følsom måte å analysere varmestrømmen i en reaksjon.
Mikrokalorometre må fungere ved lave temperaturer slik at minuttets varmeendringer som de måler kan registrere. For eksempel opprettholdes enhetene som brukes i astrofysikk på nær absolutt null. Ved denne temperaturen kan til og med den lille endringen i termisk energi forårsaket av påvirkningen av et enkelt foton oppdages. Isotermiske mikrokalorimetre er ikke like ekstreme, men opprettholdes fortsatt på mye lavere temperaturer enn makroskala kalorimeter.